基于半圓彎曲試驗的AC-25瀝青混合料抗裂性能指標比選研究

林志明 嚴二虎 周震宇

摘要 瀝青混合料的半圓彎曲試驗在國外已經(jīng)有了較成熟的規(guī)程，但均要求最大公稱粒徑不大于19 mm，空隙率6%～8%，且試驗條件較為嚴苛。文章通過設(shè)計密級配AC-25瀝青混合料，比選中溫和低溫狀態(tài)下半圓彎曲試驗的評價指標，相關(guān)結(jié)論如下：（1）半圓彎曲試驗適用于我國的密級配瀝青混合料。（2）中溫半圓彎曲試驗宜采用斷裂韌性或斷裂能評價抗裂性能，峰值荷載位移、柔性指數(shù)結(jié)果、峰后拐點斜率等均不穩(wěn)定，不宜作為評價指標。（3）低溫半圓彎曲試驗宜采用斷裂能或斷裂韌性評價抗裂性能，峰值荷載位移補充評價指標，而柔性指數(shù)和峰后拐點斜率，結(jié)果均不穩(wěn)定，不宜作為評價指標。

關(guān)鍵詞 道路工程；半圓彎曲試驗；抗裂性能；變異系數(shù)；斷裂韌性；斷裂能

中圖分類號 U213.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）05-0029-06

0 引言

半圓彎曲試驗（semi-circular bending， SCB）制件簡單，試驗周期短，受到研究人員的青睞。通常，研究瀝青路面正常服役狀態(tài)下的抗疲勞開裂性能，采用中溫（25 ℃）半圓彎曲試驗；研究瀝青路面的低溫抗裂性能，采用低溫（0 ℃以下）半圓彎曲試驗。

許多學(xué)者將半圓彎曲試驗結(jié)果和其他成熟的試驗方法對比研究，發(fā)現(xiàn)均有很好的相關(guān)性。談海斌等[1]認為，中溫半圓彎曲試驗測得的臨界應(yīng)變能釋放率值與間接拉伸試驗測得的疲勞壽命韌性指標值具有良好的相關(guān)性。對比路面取芯的SCB試驗和取芯回收瀝青的BBR試驗，SCB斷裂能和BBR試驗結(jié)果有較好的對應(yīng)關(guān)系，證明了SCB試驗?zāi)芎芎玫胤从陈访娴蜏匦阅躘2]。對比半圓彎曲試驗和劈裂試驗[3]、小梁彎曲試驗[4]，結(jié)果表明，半圓彎曲試驗和這兩種試驗均有較好的相關(guān)性，但半圓彎曲試驗對力更敏感，更適合用來評價瀝青混合料的抗裂性能。

還有許多學(xué)者研究了集料尺寸、試件直徑和厚度等對半圓彎曲試驗的影響。結(jié)論如下：最大公稱粒徑NMAS<19 mm時，直徑100 mm的試件可以用來評價抗裂性，但直徑150 mm的柔性指數(shù)更穩(wěn)定[5]；最大公稱粒徑越大，斷裂韌性越大[6]；最大公稱粒徑為12.5 mm的瀝青混合料，當厚度為40～60 mm時，每組試件斷裂能的變異系數(shù)小于10%，而試件厚度為30 mm時，變異系數(shù)大于25%[7]。

除學(xué)術(shù)研究外，歐盟、美國均頒布了基于半圓彎曲試驗評價瀝青混合料抗裂性能的試驗規(guī)程。這些規(guī)程的演變過程如下：

中溫條件下，采用柔性指數(shù)（Flexibility Index， FI）試驗來評價瀝青混合料的斷裂應(yīng)力，AASHTO在2016年、2018年兩版臨時標準TP124[8]的基礎(chǔ)上，放寬了切縫寬度要求，用六次多項式替代三次多項式擬合荷載曲線，規(guī)定了峰后拐點斜率的計算方法，補充了柔性指數(shù)室內(nèi)試驗的重復(fù)性和再現(xiàn)性的變異系數(shù)，2021年定為正式標準，編號AASHTO T393[9]。ASTM也在路易斯安那州規(guī)程DOTD TR 330[10]的基礎(chǔ)上，2016年首次頒布了D8044[11]試驗規(guī)程，評價指標是臨界應(yīng)變能釋放率（Jc），修改了試驗結(jié)束條件，明確指出荷載小于峰值荷載25%時停止試驗。

低溫條件下，AASHTO在2013年、2020年兩版臨時標準TP105[12]基礎(chǔ)上，于2021年確定為正式標準，編號AASHTO T394[13]，T394主要計算斷裂能、斷裂韌性、勁度模量等指標，但并未給出相關(guān)指標的推薦值和試驗的精度和誤差。歐盟標準于2010年首次出版，編號EN 12697-44，并于2019年[14]再次修訂，放寬了切縫寬度，增加了試件高度要求。

在四個規(guī)程中，AASHTO的T393和T394均要求瀝青混合料的最大粒徑小于19 mm，而D8044和EN 12697-44均未對最大粒徑提出要求。

根據(jù)以上規(guī)范的情況梳理，AASHTO的規(guī)范較為完備，但要引入我國，需要解決的問題如下：一是空隙率要求，我國密級配推薦的空隙率為不大于6%，而AASHTO要求空隙率為（7±1）%；二是低溫條件下，T394中計算了斷裂能、斷裂韌性、勁度模量，如何評價瀝青混合料的抗裂性能并未給出判斷方法；三是AASHTO要求混合料最大粒徑不超過19 mm，相當于我國的AC-16級配，常見的中面層AC-20和下面層AC-25，均不適用。

AC-25通常用于瀝青路面下面層，考慮高溫穩(wěn)定性與低溫抗裂性[15]，在我國應(yīng)用廣泛。該文通過設(shè)計密級配AC-25瀝青混合料，根據(jù)不同溫度，選擇合適的加載速率，進行半圓彎曲試驗，計算峰值荷載位移、斷裂韌性、斷裂能、柔性指數(shù)、峰后拐點斜率等指標的計算，進行評價指標的比選。

1 試件制備和試驗方法

該文使用的瀝青為70#基質(zhì)瀝青，三大指標和薄膜老化后性能均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求。集料、礦粉來自安徽省合肥市廬江縣，均是石灰?guī)r，均滿足規(guī)范要求。

AC-25各檔礦料占比如表1所示。最佳油石比是3.9%，根據(jù)試驗結(jié)果可知，由于外摻纖維的持油作用，纖維每增加0.05%，油石比增大0.03%。

用AASHTO T312規(guī)范旋轉(zhuǎn)壓實法制作試件，目標空隙率為4%，試件的直徑為150 mm，高度為160 mm，在壓實試件中部切取2個厚度為50 mm的圓柱體切片，再將每個切片沿著直徑方向切開，獲得兩個半圓形，再沿半圓形試件的對稱軸切出一道切縫，切縫深15 mm，寬不超過2 mm。

試驗步驟如下：

（1）將半圓形試件放入目標溫度（中溫25 ℃，低溫0 ℃）的環(huán)境箱中保溫4 h。

（2）從環(huán)境箱內(nèi)將試件拿出，對稱放置在夾具的滾軸上，保證施加的應(yīng)力垂直地穿過試樣的中心。

（3）試驗前，試件和加載條保持3 mm距離，然后鋼輥以中溫50 mm/min（低溫0.3 mm/min）的位移速率向上抬升試件，測量和記錄荷載、位移。

（4）當荷載降至0.3 kN以下或者峰值荷載的10%時，試驗結(jié)束。

2 相關(guān)指標計算方法

2.1 峰值荷載位移

如圖1所示，荷載為0.1 kN時，位移記為0，upeak為峰值荷載位移，是抗裂紋擴展能力的體現(xiàn)。

2.2 斷裂韌性

斷裂韌性是指斷裂力學(xué)中描述抵抗裂紋擴展的能力。計算公式如下：

（1）

式中，KIC ——斷裂韌性（N/mm1.5）；Fmax ——峰值荷載（N）；D、t——試件的直徑、厚度（mm）；a——試件的切縫深度（mm）。

2.3 斷裂能

為了消除試驗過程中首尾部分的試驗誤差，如圖1所示，選擇ustart到uend部分為斷裂功的計算范圍，k為ustart對應(yīng)的位置的步數(shù)，n為uend對應(yīng)的位置的步數(shù)。

（2）

式中，W——斷裂功（J）；pi、pi+1——第i步和第i+1步施加的荷載（N）；ui、ui+1——第i步和第i+1步時傳感器的荷載平均位移（m）。

斷裂能（Gf）是斷裂功（W）除以韌性區(qū)面積（Alig）的商。

（3）

Alig=（h?a）×t （4）

式中，Gf ——斷裂能（J/m2）；Alig——韌性區(qū)面積（mm2）；h——切縫處試件高度（mm）。

2.4 峰后拐點斜率

位移—荷載曲線峰后拐點處斜率的絕對值稱為峰后拐點斜率，用于評價試件抗裂性能的衰減速度。該文根據(jù)AASHTO T393—2022規(guī)定的分段擬合法求最優(yōu)的峰后拐點斜率值。

2.5 柔性指數(shù)

柔性指數(shù)（FI）是美國AASHTO TP-124提出的用于評價瀝青混合料抗裂性能的指標，無量綱。柔性指數(shù)計算方法如下：

（5）

式中，|m|—峰后位移—荷載曲線斜率的絕對值（N/m）。

3 結(jié)果與討論

該文的試驗數(shù)據(jù)由同一實驗室同一操作人員測得，一個組合有4個試件，當一組峰值荷載中某個峰值荷載與平均值之差大于標準差的1.2倍時，則為異常數(shù)據(jù)，應(yīng)剔除。如圖2所示，MT-14的2-1是異常數(shù)據(jù)，在計算各指標之前，應(yīng)予以排除，同時應(yīng)確保每個組合的有效試件數(shù)≥3。

3.1 中溫半圓彎曲試驗

為了比較中溫試驗峰值荷載位移、斷裂韌性、斷裂能、柔性指數(shù)等指標的離散程度，整理了14個組合的變異系數(shù)的結(jié)果，如表2所示。

根據(jù)表2的變異系數(shù)，以14個組合為樣本，變異系數(shù)間隔為5，得到累計概率分布如圖3所示。圖3中，折線越靠左，說明變異系數(shù)整體越小，5個評價指標變異系數(shù)從小到大排序為：斷裂韌性、斷裂能、峰值荷載位移、峰后拐點斜率、柔性指數(shù)。其中，變異系數(shù)小于20%占比分別為100%、85.7%、64.3%、42.9%、42.9%。

圖3顯示，峰后拐點斜率變異系數(shù)小于30%部分，占比小于80%，說明峰后拐點斜率的變異系數(shù)大，這是因為AC-25中，粗集料較多，裂紋擴展至粗集料時，或者粗集料斷裂，或者沿著粗集料邊沿繼續(xù)擴展，影響荷載衰減速度，導(dǎo)致同組試件峰后曲線差異較大。柔性指數(shù)的變異系數(shù)受斷裂能和峰后拐點斜率疊加影響，試驗結(jié)果更不穩(wěn)定。

綜上，中溫試驗采用斷裂韌性、斷裂能評價混合料的抗裂性能較優(yōu)。峰值荷載位移計算簡單，但變異系數(shù)小于20%的樣本占比小于70%，故不適合作為評價標準。柔性指數(shù)是無量綱物理量，且便于分析比較，但由于試驗結(jié)果不穩(wěn)定，不建議用于評價AC-25的抗裂性能。

3.2 低溫半圓彎曲試驗

為了比較低溫試驗峰值荷載位移、斷裂韌性、斷裂能、柔性指數(shù)等指標的離散程度，整理了20個組合的變異系數(shù)的結(jié)果，如表3所示。

根據(jù)表3的變異系數(shù)，得到累計概率分布如圖4所示，5個評價指標變異系數(shù)從小到大排序為：斷裂韌性、峰值荷載位移、斷裂能、峰后拐點斜率、柔性指數(shù)。其中，變異系數(shù)小于20%占比分別為100%、85%、75%、30%、20%。

圖4顯示，峰后拐點斜率變異系數(shù)小于30%部分，占比為65%，說明峰后拐點斜率的變異系數(shù)很大，原因是低溫狀態(tài)下，瀝青混合料呈彈性，容易發(fā)生脆斷，荷載衰減過程復(fù)雜多變，導(dǎo)致同組試件峰后曲線差異較大。

低溫狀態(tài)下，以“斷裂能變異系數(shù)+峰后拐點斜率變異系數(shù)”為橫坐標，柔性指數(shù)變異系數(shù)為縱坐標，如圖5（b）所示，散點圖擬合斜率為1.108 5，R方為0.895 1，有著良好的線性關(guān)系，說明低溫下的柔性指數(shù)極不穩(wěn)定，是斷裂能和峰后拐點斜率不穩(wěn)定性的疊加。中溫狀態(tài)下，如圖5（a）所示，無類似結(jié)論。

根據(jù)姜鑫龍等[16]的研究，AC-25混合料SCB試件的厚度為24.7 mm，在0 ℃，加載速率0.03 mm/min時，斷裂能、斷裂韌性、柔性指數(shù)的變異系數(shù)分別為44.9%、12.3%、60.5%。該文研究的厚度為50 mm，以上三項指標變異系數(shù)遠小于姜鑫龍等的研究結(jié)果，說明AC-25混合料宜采用50 mm厚度的SCB試件研究低溫抗裂性能。

綜上，低溫試驗采用斷裂韌性、斷裂能等指標結(jié)果均較穩(wěn)定，適合用于評價低溫的瀝青混合料的抗裂性能。此外，峰值荷載位移的結(jié)果同樣穩(wěn)定，低溫狀態(tài)下，利用SCB試驗進行摻纖維瀝青混合料抗裂性能驗證時，可作為同一級配的比較指標，快速判斷。而柔性指數(shù)和峰后拐點斜率，結(jié)果不穩(wěn)定，不建議作為低溫抗裂性能的評價指標。

4 結(jié)論

該文通過設(shè)計密級配AC-25瀝青混合料，根據(jù)試驗的可重復(fù)性，分別比選中溫和低溫狀態(tài)下，半圓彎曲試驗的評價指標，相關(guān)結(jié)論如下：

（1）我國的密級配瀝青混合料AC-25也可采用半圓彎曲試驗評價其抗裂性能，試件厚度宜為50 mm，中溫加載速率為50 mm/min，低溫加載速率為0.3 mm/min。

（2）AC-25的中溫半圓彎曲試驗宜采用斷裂韌性或斷裂能評價抗裂性能，而峰值荷載位移、柔性指數(shù)和峰后拐點斜率的試驗結(jié)果均不穩(wěn)定，不宜用于評價抗裂性能。

（3）AC-25的低溫半圓彎曲試驗宜采用斷裂韌性或斷裂能評價抗裂性能，峰值荷載位移可作為補充評價指標；柔性指數(shù)和峰后拐點斜率，結(jié)果均不穩(wěn)定，不宜用于評價抗裂性能。

該文的研究的不足與展望如下：

（1）采用的瀝青為70#瀝青，未考慮采用其他標號或改性瀝青的情況，后期應(yīng)開展更多類型的瀝青，總結(jié)瀝青類型對評價指標選擇的影響。

（2）低溫試驗中“斷裂能變異系數(shù)+峰后拐點斜率變異系數(shù)”和柔性指數(shù)變異系數(shù)的線性關(guān)系，目前僅有初步結(jié)論，后期應(yīng)該開展斷裂界面的微觀研究，挖掘峰后拐點斜率的主要影響因素，并解釋出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因。

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